鈦粉對電子雷管電引火藥頭性能的影響?

張文洲 孫 磊

①湖南斧欣有限責(zé)任公司(湖南長沙，410205)②湖南向紅機械化工有限責(zé)任公司(湖南岳陽，414100)

引言

電子雷管具有發(fā)火時刻控制精度高和延期時間可靈活設(shè)定兩大技術(shù)特點，是起爆器材領(lǐng)域里最為引人注目的新技術(shù)[1-2]。電子雷管電引火藥頭不僅影響起爆藥的燃燒轉(zhuǎn)爆轟，而且它本身的激發(fā)時間和傳導(dǎo)時間也是電子雷管延期時間的組成部分，所以電引火藥頭的發(fā)火時間精度對電子雷管的延期時間和延期精度有著非常重要的影響。過去眾多研究關(guān)注的焦點主要集中在電雷管電引火藥頭上，如電雷管電引火藥頭的質(zhì)量、電流強度對電引火藥頭的發(fā)火時間的影響[3-5]；也有學(xué)者對電引火藥頭發(fā)火時間進行過研究，但多集中在點火藥藥劑本身[6-7]或發(fā)火歷程的研究上[8]。然而，電子雷管點火是采用電容放電模式，其發(fā)火激勵方式和電雷管不同，所以研究縮短電子雷管電引火藥頭的發(fā)火時間，提高其延期精度具有現(xiàn)實意義及應(yīng)用價值。

本文中，基于公司新建電子雷管生產(chǎn)線，原有電雷管電引火藥頭滿足不了電子雷管的延期精度狀況，考慮到鈦粉可以作為一種高能添加劑[9]，具有高密度、高燃燒焓、燃燒快、換熱性能好等特點；因此，通過在普通電雷管電引火藥頭的基礎(chǔ)配方里添加鈦粉研制電子雷管用電引火藥頭，以達到提高點火藥頭的燃速、縮短其發(fā)火時間、提高點火藥頭發(fā)火時間精度的目的。通過實驗研究了鈦粉粒度和添加量對電引火藥頭發(fā)火時間的影響，以期得到最短發(fā)火時間所需鈦粉的粒度和添加量，為電子雷管的電引火藥頭的配方研制提供參考。

1 實驗準(zhǔn)備

1.1 實驗原材料的準(zhǔn)備

鈦粉，營口遼濱精細(xì)化工有限公司，純度為99.9%，平均粒度分別為 78.0 nm、5.8 μm、 49.6μm；高氯酸鉀，分析純，貝賽勒化學(xué)技術(shù)(上海)有限公司；四氧化三鉛，分析純，貝賽勒化學(xué)技術(shù)(上海)有限公司；苦味酸鉀，分析純，阿拉丁；硝化棉，火膠棉，四川北方硝化棉股份有限公司。

1.2 電子雷管電引火藥頭的制備

實驗制備的電子雷管用電引火藥頭，其基礎(chǔ)配方如表1所示。根據(jù)表1配方，準(zhǔn)確稱取總量為200 g的原材料，置入混合罐中，加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4%的硝化棉黏合劑，然后用攪拌機攪拌2 h，再倒入藥盤，沾藥頭，沾漆并進行烘干，最后放入45℃烘箱內(nèi)烘48 h，即可得到電引火藥頭。其剖面在江南XTL-1型體視顯微鏡100倍放大倍數(shù)下如圖1所示。圖1中，白色反光顆粒即為鈦粉。

表1 電子雷管用電引火藥頭配方(質(zhì)量分?jǐn)?shù))Tab.1 Formula of electric fusehead of electronic detonator(mass fraction) %

圖1 電引火藥頭剖面Fig.1 Cross-section of the electric fusehead

1.3 電子雷管電引火藥頭發(fā)火時間的測試裝置

實驗所用電子雷管電引火藥頭發(fā)火時間測試裝置如圖2所示，主要由電子雷管專用起爆器輸出起爆信號，光電傳感器獲取雷管爆炸時的火焰信號，然后將信號傳輸?shù)絑BS9601B智能爆速測量儀處理，得出兩個時間之差，即是電子雷管延期時間。當(dāng)電子雷管專用起爆器設(shè)置電子雷管芯片延期時間為0 ms時，所測得的時間即為電子雷管電引火藥頭發(fā)火時間與雷管爆炸時間之和，由于雷管爆炸時間屬于微秒級，與電引火藥頭發(fā)火時間毫秒級相差較大，幾乎可以忽略不計，因此，將電子雷管芯片延期時間為0 ms時所測得的電子雷管延期時間近似為電子雷管電引火藥頭發(fā)火時間。

圖2 發(fā)火時間測量裝置示意圖Fig.2 Schematic diagram of ignition time measuring device

2 實驗結(jié)果與分析

2.1 鈦粉含量對電引火藥頭發(fā)火時間精度的影響

根據(jù)表1配方，選取粒度為5.8 μm的鈦粉，分別制備出外加鈦粉的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0、5%、10%和15%的4種電子雷管電引火藥頭，然后在相同條件下裝配成電子雷管成品，最后利用圖2所示測試裝置測試電子雷管電引火藥頭發(fā)火時間，設(shè)置電子雷管芯片延期時間為0 ms，每組測試50發(fā)，結(jié)果如表2所示。

分析表2可知，添加鈦粉的電子雷管電引火藥頭發(fā)火時間比沒有添加鈦粉的電子雷管電引火藥頭發(fā)火時間短，發(fā)火時間標(biāo)準(zhǔn)差和極差小，說明其發(fā)火時間精度高，發(fā)火一致性好；在鈦粉添加量為5% ～15%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))范圍內(nèi)，平均發(fā)火時間隨著鈦粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加而減小，發(fā)火時間的標(biāo)準(zhǔn)差和極差也隨著鈦粉含量的增加而減小。這意味著鈦粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加，電子雷管電引火藥頭的發(fā)火時間縮短，發(fā)火精度提高，發(fā)火一致性更好。

出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因主要有兩點，一是添加鈦粉后，電引火藥頭的體系傳熱效率發(fā)生變化，鈦粉在體系內(nèi)的質(zhì)量分?jǐn)?shù)越高，傳熱效率越高，能及時將橋絲附近引燃的熱量傳遞到電引火藥頭表層，快速引發(fā)表層發(fā)火，通過提高傳熱效率，縮短傳熱時間，進一步縮短了發(fā)火時間；二是鈦粉具有較高能量，在燃燒過程中能放出大量的熱量，既可以加快藥頭內(nèi)部的熱傳遞速率，又能更快地點燃雷管的起爆藥，它是通過增加單位時間的傳熱能量，加快藥劑被點燃速度來縮短發(fā)火時間。因此，在一定范圍內(nèi)，隨著鈦粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，電引火藥頭體系的能量增大，傳熱效率提高，從而導(dǎo)致藥頭發(fā)火時間變短，精度提高，一致性變好。

表2 鈦粉的質(zhì)量分?jǐn)?shù)對電引火藥頭發(fā)火時間的影響Tab.2 Effect of mass fraction of titanium powder on ignition time of the electric fusehead

2.2 鈦粉粒度對電引火藥頭發(fā)火時間精度的影響

為了研究鈦粉粒度分布對電子雷管電引火藥頭發(fā)火時間精度的影響，利用單因素控制法，確定鈦粉添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為15%，在其他因素相同的情況下，分別選取粒度為78.0 nm、5.8 μm、 49.6 μm 的鈦粉制備電子雷管電引火藥頭，然后在相同條件下裝配成電子雷管成品，最后利用1.3所述測試裝置測試電子雷管電引火藥頭發(fā)火時間，設(shè)置電子雷管芯片延期時間為0 ms，每組測試50發(fā)，結(jié)果如表3所示。

表3 鈦粉的粒度對電引火藥頭發(fā)火時間的影響Tab.3 Effect of granularity of titanium powder on ignition time of the electric fusehead

由表3可知，在其他條件相同情況下，鈦粉粒徑越大，電子雷管電引火藥頭平均發(fā)火時間越長，發(fā)火時間的標(biāo)準(zhǔn)差和極差也越大，說明電子雷管電引火藥頭發(fā)火精度降低，發(fā)火一致性變差。鈦粉粒徑越小，比表面積越大，與氧化劑等物質(zhì)結(jié)合越緊密，在燃燒過程中反應(yīng)速率越快、越穩(wěn)定，所以發(fā)火時間短，一致性好；同樣的，比表面積的增大，也加快了各顆粒界面間的熱交換速率，從而使得電引火藥頭表層能更快地積累發(fā)火所需的能量，從而縮短電引火藥頭發(fā)火時間。此外，鈦粉的粒徑越小，在點火藥攪拌和沾藥的過程中越不容易沉降、分層，所制備的藥頭中鈦粉的分散性更好、更均勻，各藥頭間的鈦粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)更一致，所以燃燒一致性更好，發(fā)火精度更高。因此，相同情況下，鈦粉粒徑越小，比表面積越大，藥頭反應(yīng)速率更快，發(fā)火時間更短；粒徑小的鈦粉在電引火藥頭體系里分散更均勻，所以發(fā)火一致性好，發(fā)火精度更高。

2.3 電子雷管電引火藥頭的熱分解研究

點火藥的熱分解過程是研究電子雷管電引火藥頭安定性的重要基礎(chǔ)，DSC曲線能清晰地反映出點火藥的起始分解溫度、分解峰溫及放熱量大小等參數(shù)。從2.1及2.2的實驗結(jié)果可知，電子雷管電引火藥頭發(fā)火性能最好的為1＃配方，考慮到新的配方添加了質(zhì)量分?jǐn)?shù)為15%、平均粒徑為78.0 nm的鈦粉，與不含鈦粉的原配方存在較大區(qū)別，因此，采用梅特勒DSC-823e差示掃描量熱儀分析了這兩個配方的熱性能。實驗樣品量約1.5 mg，靜態(tài)空氣氣氛，升溫速率為2℃/min，所測得的DSC曲線如圖3所示。

圖3 不同配方的電引火藥頭的DSC曲線Fig.3 DSC curves of electric fusehead with different formulations

從圖3中可以看出，用1＃配方與原配方生產(chǎn)的電子雷管電引火藥頭的DSC曲線相似，均含有1個熔融吸熱峰和1個分解放熱峰。1＃配方點火藥的起始分解溫度為307.5℃，比原配方點火藥的起始分解溫度提前5.4℃；1＃配方點火藥的放熱分解峰溫為335.3℃，比原配方點火藥的放熱分解峰溫提前15.9℃。這是因為1＃配方點火藥中含有粒徑小、活性高的鈦粉，鈦粉的比表面積大，與其他物質(zhì)之間的接觸面更大，傳熱和反應(yīng)速率更快，導(dǎo)致了起始分解溫度和放熱分解峰溫提前。觀察點火藥的放熱峰可以發(fā)現(xiàn)，1＃配方點火藥的放熱峰尖銳，放熱峰面積更大，其熱分解焓為1 611.62 J/g，比原配方的熱分解焓1 056.37 J/g提高了約53%，說明1＃配方比原配方點火藥的反應(yīng)速率快、放熱量大，這是因為1＃配方點火藥中含有燃燒焓更高的鈦粉，在相同質(zhì)量下，燃燒焓更高的物質(zhì)放熱量更多。

3 結(jié)論

通過在普通電雷管電引火藥頭的基礎(chǔ)配方里添加鈦粉研制電子雷管用電引火藥頭，聚焦于電子雷管的發(fā)火時間及其一致性，通過單因素變量控制的方法研究了鈦粉含量和粒度對電子雷管電引火藥頭發(fā)火的影響，得出如下結(jié)論:

1)添加鈦粉的電子雷管電引火藥頭發(fā)火時間比沒有添加鈦粉的電子雷管電引火藥頭發(fā)火時間短，發(fā)火精度高，發(fā)火一致性好。

2)在一定范圍內(nèi)，隨著鈦粉含量的增加，電引火藥頭體系的能量增大，傳熱效率提高，導(dǎo)致藥頭發(fā)火時間變短，精度提高，一致性變好。

3)鈦粉粒徑越小，比表面積越大，藥頭顆粒間反應(yīng)速率越快，發(fā)火時間越短。粒徑小的鈦粉在攪拌和沾藥過程中不易沉降，在電引火藥頭體系里分散更均勻，所以發(fā)火一致性好，發(fā)火精度更高。

4)1＃配方比原配方點火藥的起始分解溫度提前5.4℃，放熱分解峰溫提前15.9℃，放熱量更大。